Små justeringar för stora förändringar – Är mjuka metalltexturer ett batteri-genombrott?

Batterier är överallt. Vår moderna teknologiska era kan inte utvecklas eller blomstra utan välgjorda, effektiva batterier. Batterier finns i elfordon, mobila enheter, lagring av förnybar energi och mycket mer. 

Om vi tittar på tillväxttalen är potentialen exponentiell. Mellan 2022 och 2030 förväntas den globala efterfrågan på litiumjonbatterier, till exempel, öka nästan sju gånger och nå 4.7 terawatt-hours in 2030. Marknadsexperter tillskriver en betydande del av denna tillväxt till den ökande populariteten för elfordon, som är starkt beroende av litiumjonbatterier. År 2024 stod elfordon för över 80 procent av den globala efterfrågan på litiumjonbatterier. 

Att stödja denna extraordinära tillväxt skulle kräva att batteriproduktionen skalas upp. Och denna uppskalning kan bara understödas av innovation. Den goda nyheten är att forskare världen över arbetar med detta. De utforskar kontinuerligt nya material, designer, konfigurationer och kemier. 

Det är dock också avgörande att fortsätta kontrollera om dessa utforskningar optimerar de tillgängliga resurserna. Vid sådan granskning upptäckte forskarna att metallens textur är något som historiskt har förbisetts. 

När de förklarade den exakta naturen av denna förbiseende, UChicago PME Prof. Shirley Meng, Liew Family Professor i Molekylär Ingenjörskonst, sade följande:

“Det finns ett kunskapsgap kring kornorienteringen, även känd som textur, och hur en sådan faktor påverkar prestandan hos uppladdningsbara metallbatterier.”

Lösningen kommer från Mengs Laboratorium för Energilagring och Omvandling och dess industripartner, Thermo Fisher Scientific (TMO ). Mer specifikt kommer den genom en artikel skriven av Meng och hennes medforskarteam. Artikeln har titeln ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.’

Experimentering mot en bättre textur för bättre batterier

Med termen ‘textur’ avser forskarna kornorienteringen som är orienterad i en specifik riktning istället för slumpmässig fördelning. Plasma-fokuserad jonstråle‑elektronbackscattering‑diffraktion (PFIB‑EBSD) hjälper till att karakterisera metallens textur under olika elektrokemiska pläterings- och stripningsförhållanden. 

I studien¹ markerade forskarna konkurrensen mellan ytenergi och sträjningsenergi för texturbildning av alkalimetaller. Mer specifikt försökte de förstå hur dominansen av atomär diffusion och ytenergi hos alkalimetaller över kornselektionstillväxt under elektrokemiska processer fungerar som nyckeln till att förklara de kinetiska begränsningarna för fast‑tillståndsbatterier med metallanoder, särskilt vid rumstemperatur. Det ultimata målet med denna forskning och de insikter som erhållits var att uppnå önskvärda texturer genom gränssnitts‑engineering för att förbättra pläterings‑/stripningseffektiviteten vid höga strömtätheter.

Forskarna genomförde en rad steg i sin strävan att förstå vad som kan vara den perfekta texturen för metalliska batterier. De karakteriserade den mjuka metallens textur under olika förhållanden, utvecklade en termodynamisk teori och ett fas‑fält‑modell för texturbildning, identifierade önskvärda texturer för att förbättra pläterings‑/stripningseffektiviteten och – slutligen – designade ett gränssnittslager för önskvärd kornväxt. 

Vad uppnådde forskningen?

I orden från UChicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, den första författaren till det nya arbetet, upptäckte forskarna att “tillsats av ett tunt lager av kisel mellan litiummetall och strömsamlaren hjälper till att skapa den önskade texturen.”

Forskarna drog slutsatsen att “ändringen förbättrade batteriets hastighetskapacitet med nästan tio gånger i helt fasta batterier som använder litiummetall.”

Men vad fick forskarna att ta reda på vad som var rätt och optimalt? 

Forskarna började med premissen att den ideala texturen för en batterianod skulle vara en där atomer snabbt kan röra sig längs ytan, eftersom snabbare rörelse hjälper batterier att ladda och urladda snabbare. För att förändra hur den är texturerad var det skillnaderna i den mjuka metallens ytenergi som betydde något.

Enligt Professor Minghao Zheng:

“Eftersom batterier med litium- eller natriummetall förlitar sig på dessa texturer för föredragen hastighetskapacitet, undrade teamet om justering av mjuka metallers textur kunde förbättra effektivitetsdensiteten.”

Genomförandet av målet berodde starkt på effektiv användning av mikroskopiteknik, som involverade slipning inom en plasma‑fokuserad jonstråle‑scannings‑elektronmikroskop (PFIB‑SEM) med elektronbackscattering‑diffraktions‑kartläggning (EBSD). Den effektiva kombinationen av dessa två metoder kan hjälpa till att studera texturen på nya sätt. 

När han förklarade nytta av den mikroskopiteknik som användes i forskningen, hade medförfattaren Zhao Liu, Senior Market Development Manager på Thermo Fisher Scientific, följande att säga:

“PFIB‑EBSD‑kombinationen är väl lämpad för denna studie, eftersom PFIB effektivt kan nå det intressanta området inom cellstacken och producera en högkvalitativ yta med minimala defekter, medan EBSD ger detaljerad texturinformation om den mjuka metallen.”

Förutom sin industripartner samarbetade forskarna också med LG Energy Solution’s Frontier Research Laboratory, med målet att arbeta mot kommersialisering av teknologin. 

Enligt LG Energy Solutions seniorforskare Jeong Beom Lee skulle forskningen hjälpa till att utveckla nästa generations batterier för elfordon och energilagringsapplikationer. 

Vad forskarna planerar att göra vidare?

Framöver har forskarna två tydliga mål. Först vill de sänka trycket som används under testning från 5 megapascal (MPa) till 1 MPa, den nuvarande industristandarden för kommersiellt tillgängliga batterier. För det andra vill de undersöka hur textur påverkar natrium, vilket enligt Mengs fynd har potential att bli ett billigt, lättillgängligt alternativ till litium. 

Annan forskning om Li‑ionbatterimaterial

Medan den nuvarande forskningen presenterar ett genombrott är liknande forskningsinsatser inte ovanliga. En översyn av forskning som gjorts på sådana batterier – publicerad i Materials Today – lyfte fram att även om Li‑ionbatterier har tydliga fördelar som hög energitäthet, lång livslängd och hög effektivitet, fortsatte forskningen med nya elektrodmaterial för att driva gränserna för kostnad, energitäthet, effekt‑densitet, livslängd och säkerhet.

När forskare undersökte de lovande anod‑ och katodmaterialalternativen som fanns tillgängliga, fann de att många av dem led av problem som begränsad elektrisk ledningsförmåga, långsam Li‑transport, upplösning eller andra ogynnsamma interaktioner med elektrolyten, låg termisk stabilitet, hög volymexpansion och mekanisk sprödhet. De tillgängliga lösningarna på dessa problem involverade interkalationskatoder som kommit till marknaden. Dock var takten med vilken konversionsmaterialteknik nådde kommersialisering långsam. 

När vi talar om kommersialisering och uppskalning bör vi nu gå vidare till företag som kan uppnå mycket genom sådan högteknologisk forskning. 

1. Samsung

I augusti 2024, Sydkoreas Samsung SDI slutförde ett avtal med General Motors (GM ) för att bygga en gemensam elfordonsbatterifabrik i den amerikanska delstaten Indiana. Genom detta avtal beslutade de två företagen att gemensamt bygga ett battericelltillverkningsverk med en årlig produktionskapacitet på 27 gigawattimmar. 

Tidigare, år 2022, Samsung SDI Co., världens sjätte största batteritillverkare, och den nederländska multinationella biltillverkaren Stellantis N.V (STLA ). hade valt delstaten Indiana som plats för en gemensam elfordonsbatterifabrik i USA. 

Tillverkaren hade som mål att producera 23 gigawattimmar (GWh) av prismatiska battericeller och moduler per år, enligt planen för första halvan av 2025 för Stellantis bilfabriker i Nordamerika. 

När det gäller batteriproduktion erbjuder Samsung SDI ett brett spektrum av lösningar, inklusive elfordon, energilagringssystem, mikromobilitet, kraftenheter och IT‑enheter. 

För EV‑ och PHEV‑fordon tillverkar företaget högkapacitets‑, energitäta och snabbladdande batterier med ledarskap inom massproduktion av fast‑tillståndsbatterier. För energilagringslösningar erbjuder Samsung SDI batteriprodukter som sträcker sig från hushållslösningar och verktyg, kommersiella och industriella lösningar integrerade med förnybara energikällor till avbrottsfri strömförsörjning (UPS).

Inom mikromobilitet tillverkar Samsung SDI batterier för små, lätta sista‑miljetransporter i form av e‑kickboards, e‑bikes och e‑scootrar. I detta segment utnyttjar företaget avancerade material‑ och komponentteknologier för att skapa de bästa tillgängliga batterierna. 

För e‑bikes tillverkar Samsung SDI batterier med hög energitäthet och säkerhet. Dessa batterier är tunnare och lättare. 

För elektriska tvåhjuliga fordon – som e‑scootrar och e‑motorcyklar – utvecklar Samsung SDI cylindriska batterier. Dessa batterier byggs med högkapacitetsmaterial, unika strukturella designer och konsekvent kvalitet, vilket gör dem säkra och lämpade för topprestanda, lång batterilivslängd och säkerhet. 

För kraftenheter har Samsung SDI högutgångs‑ och högkapacitetsbatterier. De erbjuder också optimala OPE‑batterilösningar med hög energitäthet, stabil strömleverans och lång batterilivslängd. Dessutom tillverkar de batterier med differentierad kapacitet och effekt. Slutligen producerar Samsung SDI även högpresterande och långlivade batterier för IT‑enheter, inklusive smartphones och wearables. 

I slutet av januari 2025, Samsung meddelade resultat för fjärde kvartalet och hela året 2024 med en årlig omsättning på 16,59 biljon KRW (11,55 miljarder USD) och en årlig rörelseresultat på 363,3 miljarder KRW mitt i en marknadssänkning. Under fjärde kvartalet uppgick företagets omsättning till 3,75 biljon KRW, vilket innebar en rekordhög omsättning inom ESS‑batteriverksamheten.

2. LG Energy Solutions

I december 2024, LG Energy Solutions engagerade sig i samtal med Indiens JSW Energy (JSWENERGY.BO ) för att tillverka batterier för elfordon och förnybar energilagring i ett joint venture som skulle kräva en investering på över 1,5 miljarder dollar. Enligt offentligt tillgängliga rapporter skrev de två företagen under ett initialt avtal för att bilda ett lika partnerskap där LGES kommer att bidra med teknik och utrustning för batteritillverkning, och JSW kommer att investera pengar, enligt en källa.

Generellt är företaget känt för Energy Storage Solution (ESS) batterier och avancerade bilbatterier. ESS‑divisionen erbjuder högenergi‑ och högutgångsprodukter för elnät och diversifierade hushållsprodukter. Dessa batterier tillverkas med förstklassig battericellteknik som erhålls genom att tillämpa avancerad processkunskap om laminerings‑ och staplingsteknik, en proprietär teknik från LG.

Dessa batterier har en enhetlig energileverans, lång batterilivslängd och stabil struktur. LG ESS‑batterierna har också förbättrad rymdeffektivitet genom kompakt storlek. Genom att tillämpa högkapacitets‑, ultraslanka polymerbattericeller i utvecklingen av nät‑ och bostads‑ESS producerar företaget slanka produkter som maximerar utrymmesanvändning och kräver minimalt installationsutrymme. 

LG Energy Solutions är också den ledande leverantören av celler, moduler, BMS (Battery Management System) och paketprodukter för elfordonsbatterier. Lösningarna inkluderar högenergitäta batterier som är lätta och laddas snabbt.

De olika dimensionerna som dessa batterier har säkerställer maximal rymdutnyttjning genom att lösa problemet med begränsat utrymme i kommersiella fordon. Pouch‑typ battericeller kan produceras i olika längder och bredder och underlättar förbättring av batterikapaciteten samt möjliggör optimering. 

Under den sista veckan i januari 2025 meddelade LG Energy Solution sina resultat för fjärde kvartalet och helåret. För helåret rapporterade företaget en konsoliderad omsättning på 25,6 biljon KRW och ett rörelseresultat på 575,4 miljarder KRW, en år‑till‑år minskning på respektive 24,1 % och 73,4 %. Rörelsemarginalen var 2,2 % inklusive IRA‑skatteavdragseffekten.

Framtiden för batterier

Framtiden för batteriteknik och batterihantering kommer att sträva efter förbättringar inom flera områden. Den kommer att söka förbättrad specifik energi och energitäthet (mer energi lagrad per volym/vikt), längre livslängd, mindre brandfarlighet, kortare laddningstid för att batteriet ska bli fullt laddat, och minskad nivåiserad energikostnad (LOCE). 

Forskare har granskat teknologisk utveckling för Li‑jonbatterier för perioden 2019‑2030. De nämnde fyra sannolika tekniska upplägg: konventionella Li‑jon, Gr‑Si‑anod eller Hi‑Ni‑katod, fast‑tillståndsbatterier och litium‑svavel/luft. Siffrorna tyder på att de nya batteriteknologierna alla är på väg att överträffa konventionella Li‑jon under nästa decennium. 

Framväxten av nya batteriteknologier skulle ompröva valet av katod‑ och anodmaterial. Till exempel har ett batteri med LFP‑katod en lägre energitäthet än ett med NMC‑katod. Valet av katodmaterial är viktigt eftersom det avsevärt påverkar den specifika energin på fullcellnivå.

Valet av anodmaterial är också avgörande. Anodmaterial, vanligtvis grafit, ger utrymme för litiumjoner att lagras när batteriet laddas. Antalet lagrade litiumjoner är direkt kopplat till hur mycket elektrisk energi som lagras.

Forskare ser en gradvis övergång i katodteknik, från en typisk Ni‑procent på 50 % mot 80 % respektive 90 % för NMC‑ och NCA‑batterier. För att möta kapacitetsbehoven som tillhandahålls av hi‑Ni‑katoder ökar enligt rapporter användningen av en liten mängd kiseloxid eller rent kisel i grafitanoder bland celltillverkare.

De fem nya batteriteknologier som förväntas omdefiniera framtiden omfattar NanoBolt litium‑tungstenbatterier, zink‑manganoxidbatterier, organosilikon‑elektrolytbatterier, guld‑nanotråds‑gel‑elektrolytbatterier och TankTwo String Cell™‑batterier. 

NanoBolt litium‑tungstenbatterier, till exempel, laddas snabbare och lagrar mer energi. Zink‑manganoxidbatterier kan fungera effektivt som ett alternativ till litium‑jon‑ och bly‑syrabatterier, särskilt för storskalig energilagring för att stödja nationella elnät. 

Kemiprofessorerna Robert Hamers och Robert West vid University of Wisconsin‑Madison har utvecklat organosilikon (OS)‑baserade flytande lösningsmedel som kan designas på molekylär nivå för industriella, militära och konsumentmarknader för Li‑ion‑batterier.

När de experimenterade med gel, som inte är lika brandfarliga som vätskor, försökte forskare vid University of California, Irvine, belägga guldnanotrådar med manganoxid och sedan täcka dem med elektrolytgeler.

Även om nanotrådar vanligtvis är för känsliga för att användas i batterier, har dessa lösningar blivit robusta, och den resulterande elektroden, upptäckte forskarna, klarade 200 000 cykler utan att förlora sin förmåga att hålla en laddning. Detta jämfört med 6 000 cykler i ett konventionellt batteri. 

String Cell™‑batteriet innehöll en samling av små, oberoende självorganiserande celler. Varje string‑cell bestod av ett plasthölje täckt med ett ledande material som gjorde det möjligt att snabbt och enkelt skapa kontakt med andra. En intern bearbetningsenhet styrde anslutningarna i den elektrokemiska cellen. 

För att underlätta snabb laddning av ett elfordon sögs de små kulorna i batteriet ut och byttes mot uppladdade celler vid servicepunkten. Vid stationen kunde cellerna laddas under låglasttimmar.

Med alla dessa lösningar till vårt förfogande väntar flera batterigenombrott i framtiden.